【芯视野】红出圈的氮化镓(GaN):爆发前的黎明,突围还要蓄力

集微网报道 9月初的股市,并没有秋后的天高气爽之势,反而是不断滑落的大盘指数带给股民阵阵凉意。然而,有一个板块却逆势而动,在破万亿成交额的护航下一路飘红。

这就是第三代半导体板块。在整个产业即将进入国家战略规划消息的鼓舞下,第三代半导体技术再次成为了网红。作为行业双星之一的氮化镓(GaN),也因为在5G和功率市场的表现而再受瞩目。

破圈的2020年

小米在2020年初的一场发布会改变了GaN的命运。雷军展示了小米研发的65W GaN充电器,GaN材料也因此破圈成名。尽管已被业界内看做天选之子,GaN可从未获得如此高的待遇。

在媒体一轮又一轮的密集轰炸之下,GaN的优势已经人尽皆知:更大的禁带宽度更大,更高的临界击穿电场,更高的热导率更高,更高的饱和电子速率和电子迁移率等。因为性能上较第一、二代半导体材料有质的飞跃,GaN成为制作短波长发光器件、光电探测器以及高温、高频、大功率电子器件的不二之选

LED照明、激光器与探测器方向是目前GaN最大的应用市场,在2019年就达到了400亿美元的营收规模。但是,业界更希望GaN在5G射频和功率器件两个方向实现突破,因为那里有更大的市场空间。

5G系统需要更高的峰值功率、更宽的带宽以及更高的频率,这些因素都促成了对GaN器件的接受。业内人士告诉记者,凭借高频下更高的功率输出和更小的占板面积,GaN已经在射频领域赢得良好的口碑。根据Yole预测,GaN 射频市场将从 2018 年的 6.45 亿美元增长到 2024 年的约 20 亿美元,这主要受电信基础设施和国防两个方向应用的推动

商业化GaN射频器件产品目前有三大类:一种是应用于 4G 宏基站等系统的大功率PA(功率放大器),饱和功率等级为100~300W甚至更大;另一种是应用于0.5~6GHz的5G 宏基站的GaN PA,单模块输出平均功率为5~10W,要求高集成、小体积;第三种是应用于5G高频频段的GaN单片集成电路(MMIC),饱和输出功率为2~10W,主要用于人员密集的场所。

PA是射频系统中的关键组成,目前以GaAs(砷化镓)PA为主流。但随着5G的到来,GaAs器件将无法满足在如此高的频率下保持高集成度,GaN得以大展身手。

5G宏基站以64通道的大规模阵列天线为主,按三个扇区计算,单基站PA需求量将高达 192 个。根据拓墣产业研究院的预测,国内5G宏基站建设将于2023年左右达到高峰,年新增 115 万个以上,对应PA需求高达 2.21 亿个。随着GaN器件成本的下降和工艺的成熟,GaN PA渗透率将不断提升,拓墣产业研究院估计2019年5G宏基站PA中GaN占比在50%左右,预计到2023年GaN占比将达到80%

相较光电和射频,GaN在功率器件中的应用爆发最晚,可谓是厚积薄发。“从过去三年来看,成本每年以20%~30%的比重在下降,终于让GaN接近爆发式增长的关键节点。”纳微(Navitas)中国区总经理查莹杰这样认为。

GaN功率器件开关频率高、导通电阻小、电容小,可在高频情况下保持高效率水平。并且,由于是平面架构,GaN功率器件可以集成外围驱动和控制电路,将IC体积做小,显著降低成本。

在苹果、三星、华为、小米等手机厂商均入局GaN电源适配器的形势下,预计2024年全球GaN功率半导体市场规模将超过 7.5亿美元。

从光电到射频器件,再到功率器件,GaN在应用上经历了一个不断扩展,层层突破的过程

全面爆发?还要等等

“第三代半导体现在是一片欣欣向荣的景象,走到哪里都能收到这方面的BP(项目计划书)。”担任芯力量·云路演点评嘉宾的盛世投资管理合伙人陈立志曾发出这样的感慨。

媒体热捧、资本追逐、项目遍地开花,无论是GaN还是SiC,都给人以行业进入“井喷状态”的印象。

实际上,从GaN本身来说,还只是处在爆发前夜。以红得发紫的GaN快充为例,半导体行业资深投资人老周(化名)给记者算了笔账:“小米GaN快充的单价是149元,目标是年销售100万个,这就是1.5亿元销售额。对一个产品来说,是很不错的成绩。但如果把使用的GaN芯片换算成晶圆,也就是300~500片的数量。对于晶圆厂,这都不算量产,至多是个样品生产阶段。”

老周一直在关注GaN功率市场的状况。据他连续5年的观察来看,整个市场还没有真正起量。

苏州能讯总经理任勉亦认为,功率GaN还是一个充满竞争的领域,对其成本要求比较高,需要与硅材料比拼成本、性能,其产业发展还不够成熟

5G市场情况同样如此。根据业界的共识,2W以下的场景主要使用了GaAs PA,2W以上的场景由LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)PA和GaN PA占据。GaAs比较适合微基站,而GaN工艺适合用于宏基站大功率输出场景。

LDMOS是GaN在宏基站中最主要的对手。5G频谱分布在6GHz以下及28GHz以上毫米波的波段,频率越高,LDMOS工艺的器件性能下降越多,因此其主要用在低频段部署中。

国内一家做宏基站PA的公司负责人赵林(化名)说:“5G的宏基站中,3GHz以上GaN在替代LDMOS,但是3GHz以内仍然以LDMOS为主。”

价格是一个重要的因素。根据5G 基站的上游采购价格,拓璞分析,目前用于 3.5GHz 频段的 5G 宏基站,采用 LDMOS 工艺的PA单扇区的价格超过了400美元,采用 GaN 工艺的PA价格则超过了700 美元。”

不过,5G基础设施对高密度、小尺寸天线阵列的需求,导致射频系统中对功率和热管理处理的难度大增,GaN能效高、功率密度高,适应频率范围更宽,有能力应对5G基站小型化的趋势。

因此,GaN占主导的趋势愈发明显。国内的基站设备商在部署5G时采用了大量GaN PA,其他国家的基站厂商在PA技术上也在跟随。

虽然形势大好,但是因为技术成熟度和5G部署的原因,“这个市场真正要起量,还是在明年。”老周判断。

GaN-on-Si还是GaN-on-SiC

GaN产业链包括上游的材料(衬底和外延)、中游的器件和模组、下游的系统和应用。

GaN材料的制备,主要包括衬底制备和外延工艺两大环节。 衬底是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片,可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件,也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程,新单晶可以与衬底为同一材料,也可以是不同材料。外延可以生产种类更多的材料,使器件设计有更多选择

蓝宝石是GaN最初使用的衬底材料,也是最成熟的材料,大部分光电应用的GaN器件都是通过这种衬底制造的。新兴的两种衬底是Si和SiC,即GaN-on-Si(硅基氮化镓)和GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)。

图GaN-on-SiC、GaN-on-Si、GaN-on-Diamond 发展预测(来自Yole Développement)

大部分的厂商使用GaN-on-SiC来生产GaN射频器件。SiC和GaN的晶格匹配度良好,而且SiC还有高热导率的性能,便于功率密度很高的GaN射频器件快速导出热量。

后起之秀Si衬底有更低的价格,但同时热导率也比SiC低。凭借成熟的Si工艺,GaN-on-Si可以用标准工艺处理更大的晶圆,大幅降低了生产成本,其晶圆成本只有SiC基的百分之一

SiC 衬底的主流尺寸是 4~6 英寸,8 英寸衬底已由 II-VI 公司和 Cree 公司研制成功。其中,半导电型 SiC 衬底以 n 型衬底为主,主要用于光电子器件、电力电子器件等。半绝缘型 SiC 衬底主要用于外延制造GaN 高功率射频器件。

相比之下,GaN-on-Si性能略逊于GaN-on-SiC,但目前工艺水平制造的器件已能达到 LDMOS 原始功率密度的5~8 倍,在高于2GHz的频率工作时,成本与同等性能的LDMOS 出入不大。

MACOM公司就公布了一组数据,显示如果设计恰当,Si基GaN的性能是可以和SiC基GaN性能一样可靠的。

ST(意法半导体)是GaN-on-Si RF行业的领先者,目前在与MACOM合作,瞄准全球5G基站应用,正在扩大6英寸GaN-on-Si产能,并计划进一步扩展至8英寸晶圆。双方在意大利 Catania 和新加坡分别建设射频放大器晶圆厂,主要是 6寸/8寸的 GaN-on-Si 产品,两个基地在 2022 年产值预计达 30 亿美元,制程工艺由 0.5μm向 0.25μm 和 0.15μm 演进。

看好GaN的前景,台积电、英特尔等巨头也开始涉足于该领域,进行GaN-on-Si的代工开发。由于这些公司掌握了先进的制程工艺和庞大的资源,整个行业的天平已经开始向GaN-on-Si倾斜了。

同一个起跑线 竞争更激烈

从1986年两步生长法得到高质量GaN外延迟开始,该材料已经在欧美日等国经历了三十多年的发展历程,形成了较为成熟的产业体系。

国内开展GaN的大规模正式研究是在2008年之后,以政府部门为主导,通过专项的形式开展。经过十多年的发展,现在已经初具规模。特别是近几年,由于产业投资热度居高不下,行业发展迅速。2019 年,据 CASA(第三代半导体产业技术创业战略联盟)统计,GaN相关的重大投资就有3起,涉及金额45亿元。

与国外企业相比,中国本土企业在技术积累上有着较大的差距。但是,双方现在站在了同一起跑线上。“整个市场才刚刚起步,像手机快充这种市场,本土厂商有更多的机会切入,这样就能获得很多的验证和迭代的机会。”老周认为本土厂商更接近终端市场,有很多机会拉进距离,“如果本土公司能跟终端厂能够把战略协同做好,完全有机会成为一个世界级的氮化镓器件公司。”

机遇都是伴随着挑战的。由于技术的演进,巨头的加入,整个GaN行业也正在分化。传统的IDM模式和新兴的Fabless+代工模式并存,给国内厂商的路径选择也带来一定的困惑。

在GaN射频端,供应商以IDM企业为主,主要有日本住友电工旗下的 SEDI 公司(Sumitomo Electric Device Innovations)、Infineon(RF 部门已出售给 Cree)、美国 Cree 旗下 Wolfspeed 公司、Qorvo 公司、MACOM 公司、Ampleon、韩国 RFHIC 等。

图 全球主要射频GaN厂商(来自Yole Développement)

IDM模式的优点是全生产链自我控制,可减少风险。特别是面向基站和汽车等行业市场,产品偏向定制化,更新换代周期长,产品性能的可靠性和稳定性要求更高,技术难度大。加之市场空间较小,难以有足够的利润空间供设计企业和制造企业分享,采用IDM模式更能保证产品性能和利润。

苏州能讯总经理任勉就表示,IDM模式是从外延材料的生长、器件的设计,到工艺制造基本都由一个工厂独立完成。这就相当于把过去传统的材料、设计、工艺整合在一起。只是,在这样的一个背景下,射频器件的大量出货,供应链运营是一个最大的难题。

不过,随着产品的集成度提升,代工模式也自然的在GaN行业产生了。尤其是在功率器件领域,GaN的成本更敏感,需要更大尺寸的晶圆来降低成本,这只有代工厂能走做到。

中国台湾的稳懋就瞄准5G基站,主打GaN-on-SiC领域。环宇也拥有4寸GaN-on-SiC高功率PA 产能,且6寸GaN-on-SiC 晶圆代工产能已通过认证。

在GaN-on-Si方面,台积电目前已提供小批量6寸GaN-on-Si晶圆代工服务,650V和 100V GaN芯片技术平台,预计今年开发完成。世界先进也在2020年对GaN产品将进行小量样品送样。

此外,EPC,GaN Systems,Transphorm和VisIC之类的GaN市场初创企业中的早期参与者与成熟的硅功率半导体制造商结成联盟,例如Transphorm和Fujitsu,GaN Systems和ROHM Semiconductor之间的联系。

在中国大陆地区,三安集成和海威华芯具有量产GaN功率器件的能力。三安集成是三安光电下属子公司,主营GaN和GaAs技术相关业务,是一家专门从事化合物半导体制造的代工厂。海威华芯则是国内首家提供6寸GaAs/GaN微波集成电路(GaAs/GaN MMIC)的纯晶圆代工服务的制造企业。据悉,公司的氮化镓已成功突破6寸GaN晶圆键合技术。

选择IDM还是代工模式并无定论,最终还是要看公司在市场中的定位和自身的水平。目前最关键的是,对全行业来说,起跑后能否冲出包围。

任勉认为:“与国外公司相比,国内企业无论是技术的全面性,还是产能规模、供应链的运营水平,以及整个解决方案落地能力、客户渠道等等,都存在差距。所以说我们无法迅速超车,我们应该要正视这个现实。”

技术层面不是一天两天能赶上的,近几年产业频出弯道超车的说法,但我个人不太认同,公司还是需要吸纳人才,耐得住寂寞,不断积累,练好内功,才能不断缩小与国际厂商的差距。”赵林表示。(校对/Lau)

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